CN107800137A - 一种基于mmc的upfc机电暂态仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MMC的UPFC机电暂态仿真方法，该方法将UPFC功率注入模型与交替迭代法结合实现潮流计算，设计了包含控制器、调制环节、MMC模型等的UFPC模型，通过UPFC输出电流将UPFC模型与系统结合起来，实现了MMC‑UPFC的机电暂态仿真。同时，本发明采用交替迭代法和注入功率模型进行潮流计算，实现起来简单方便；动态仿真过程以潮流计算结果为初始运行点，采用注入电流源模型等效UPFC，可以全面地考虑控制器、调制环节、直流系统等对UPFC输出的影响，仿真结果准确合理。此外，该仿真方法中UPFC与系统的接口简单，方便在已有的机电暂态仿真程序中实现。

Description

一种基于MMC的UPFC机电暂态仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电技术领域，具体涉及一种基于MMC的UPFC机电暂态仿真方法。

背景技术

统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)是目前功能最为全面的柔性交流输电装置(Flexible Alternating Current Transmission Systems，FACTS)之一，可以起到平衡系统潮流分布，提高输电能力等作用。国外在1998年至2004年间投运了三套基于三电平电压源换流器的UPFC工程，我国于2015年末投运了世界首套基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的UPFC工程。与基于MMC的统一潮流控制器相比，国外基于三电平电压源换流器的UPFC有串联器件静态和动态均压问题，同时具有占地面积大、损耗大、控制不够灵活等缺点，因此在高电压、大容量输电领域MMC-UPFC更具技术优势。

目前关于MMC-UPFC的研究多基于电磁暂态仿真，研究其内部动态特性、控制策略、保护方案等，而规划UPFC的接入地点和容量、制定系统级控制策略、分析UPFC接入系统后对系统的影响等涉及大系统、长过程的计算，采用机电暂态仿真更为合适。

现有的包含UPFC的机电暂态仿真方法还不够完善，尤其是针对MMC-UPFC机电暂态模型的研究还相对较少。确定UPFC的静态模型，给出含UPFC的潮流计算方法，设计UPFC的动态模型及其与系统在动态仿真中的接口，是实现UPFC机电暂态仿真时亟需解决的关键问题。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于MMC的UPFC机电暂态仿真方法，该方法将UPFC功率注入模型与交替迭代法结合实现潮流计算，设计了包含控制器、调制环节、MMC模型等的UFPC模型，通过UPFC输出电流将UPFC模型与系统结合起来，实现了MMC-UPFC的机电暂态仿真。

一种基于MMC的UPFC机电暂态仿真方法，包括如下步骤：

(1)采用功率注入模型对UPFC进行等效；

(2)利用交替迭代法对整个系统进行潮流计算，整个系统包括UPFC及其所连交流系统；

(3)动态过程中利用换流器模型将UPFC等效为三个电流源，根据潮流计算结果对换流器模型进行初始化，最后根据UPFC等效电流源的输出电流求解整个系统的运行状态。

进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程如下：

1.1设定UPFC串联侧潮流控制目标和并联侧直流电压控制目标；

1.2将UPFC串联侧等效为UPFC串联变压器两端交流节点的注入功率，其中作为潮流控制端的交流节点K的有功注入功率P_LK和无功注入功率Q_LK为UPFC串联侧潮流控制目标，另一端交流节点L的有功注入功率P_KL和无功注入功率Q_KL则通过分析计算串联侧等效电路得到；

1.3根据UPFC串联侧对两端交流节点的注入功率，计算得到交流系统注入到UPFC串联换流器的有功功率P_se＝-(P_KL+P_LK)；进而考虑到串联换流器的损耗P_loss2，计算得到串联换流器注入到UPFC直流网络的功率P_dc2＝P_se-P_loss2；

1.4根据功率P_dc2结合UPFC并联侧直流电压控制目标，通过求解以下直流网络方程得到并联换流器注入到UPFC直流网络的功率P_dc1；进而考虑到并联换流器的损耗P_loss1，计算得到并联换流器注入到其所连交流节点N的有功功率P_n＝P_dc1-P_loss1；

P_dc1＝U_dc1I_dc

U_dc1＝U_dc2+R_dcI_dc

P_dc2＝-U_dc2I_dc

其中：U_dc1为UPFC并联侧的直流电压，U_dc2为UPFC串联侧的直流电压，I_dc为UPFC的直流电流，R_dc为UPFC的直流线路电阻；

1.5将UPFC并联侧等效为交流节点N的注入功率，当UPFC并联侧注入到交流节点N的无功功率Q_n为设定的控制目标时，则UPFC并联侧注入到交流节点N的有功潮流和无功潮流是确定的，分别为P_n和Q_n；当UPFC并联侧控制交流节点N的交流电压时，则UPFC并联侧注入到交流节点N的有功潮流确定即为P_n，无功潮流待定。

所述有功注入功率P_KL和无功注入功率Q_KL通过以下表达式计算得到：

其中：U_L为交流节点L的电压，U_K为交流节点K的电压，I_KL为UPFC串联侧向交流节点L的注入电流，j为虚数单位，^*表示复数共轭。

进一步地，所述步骤(2)的具体实现过程如下：

2.1输入整个系统的电气参数，并设定系统的状态(节点电压)初值；

2.2根据当前系统状态通过功率注入模型求解出UPFC对其所连交流节点的注入功率；

2.3基于当前系统状态以及步骤2.2求得的注入功率采用牛顿-拉夫逊法对系统状态进行更新；

2.4迭代执行步骤2.2和2.3，直至迭代收敛或达到最大迭代次数，输出系统状态以及UPFC对其所连交流节点的注入功率作为潮流计算结果。

进一步地，所述步骤(3)中利用换流器模型将UPFC等效为三个电流源的具体实现过程为：首先，使UPFC并联侧等效为1个电流源，其输出电流由并联换流器模型给出；使UPFC串联侧等效为2个电流源，这2个电流源的输出电流互为相反数且由同一个串联换流器模型给出；

所述并联换流器模型的输入包括交流节点N的实际电压u_N和参考电压U_nref、交流节点N的无功注入功率参考值Q_nref、UPFC的直流电压参考值U_dcref、交流节点N的无功注入功率实际值q_N以及UPFC并联侧直流电压实际值u_dc1，输出为UPFC并联侧等效电流源的输出电流；

所述串联换流器模型的输入包括交流节点L和K的实际电压u_L和u_K、交流节点K的有功注入功率设定值P_C和无功注入功率设定值Q_C以及交流节点K的有功注入功率实际值p_LK和无功注入功率实际值q_LK，输出为UPFC串联侧等效电流源的输出电流；

所述并联换流器模型和串联换流器模型从输入至输出均依次由控制器模块、调制模块、MMC模块、坐标变换模块连接组成，其中：

所述控制器模块根据换流器模型的输入进行有功和无功的解耦控制生成MMC差模电压参考值；

所述调制模块根据MMC差模电压参考值对MMC进行调制，生成MMC差模电压实际值；

所述MMC模块用于模拟实际的MMC并基于MMC差模电压实际值生成MMC输出电流；

所述坐标变换模块用于将MMC输出电流转换为xy坐标系下的电流相量i_xy，使其作为UPFC并联侧或串联侧等效电流源的输出电流。

进一步地，所述步骤(3)中求解整个系统运行状态的具体实现过程如下：

3.1根据潮流计算结果对并联换流器模型和串联换流器模型进行初始化；

3.2设置大小不同的两个仿真步长，大步长由若干个小步长组成；

3.3在每个小步长中假定整个系统状态不变，根据并联换流器模型和串联换流器模型求解UPFC的输出电流，即UPFC串联侧等效电流源和并联侧等效电流源的输出电流；

3.4在多个小步长计算后达到一次大步长时，根据UPFC输出电流和交流网络方程更新系统的运行状态。

本发明机电暂态仿真方法采用交替迭代法和注入功率模型进行潮流计算，实现起来简单方便；动态仿真过程以潮流计算结果为初始运行点，采用注入电流源模型等效UPFC，可以全面地考虑控制器、调制环节、直流系统等对UPFC输出的影响，仿真结果准确合理。同时，该仿真方法中UPFC与系统的接口简单，方便在已有的机电暂态仿真程序中实现。

附图说明

图1为MMC-UPFC系统的结构示意图。

图2为UPFC功率注入源模型示意图。

图3为UPFC直流侧稳态电路示意图。

图4为UPFC并联换流器模型示意图。

图5为UPFC串联换流器模型示意图。

图6为UPFC并联侧外环控制器的结构框图。

图7为UPFC串联侧外环控制器的结构框图。

图8为UPFC内环控制器的结构框图。

图9为调制环节的控制结构框图。

图10为MMC模型的结构框图。

图11为直流系统的等效电路示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

以如图1所示的MMC-UPFC系统结构为例，UPFC包含2个MMC换流器，串联换流器通过串联变压器连入线路L-M中(L点和K点为串联变压器接入点)，并联换流器经过并联变压器接到母线N上。

采用本发明对该MMC-UPFC进行机电暂态仿真的具体步骤如下：

潮流计算方法：

(1)将UPFC用图2所示的功率注入源进行等效，根据UPFC串联侧潮流控制目标，计算UPFC串联侧向节点L、K注入的功率。具体计算方法如下：

设定UPFC串联侧潮流控制目标为：

其中：P_C、Q_C分别为有功、无功控制目标。

此时，注入L点的电流为：

注入到L点的潮流为：

P_KL+jQ_KL＝U_L(I_KL)^* (3)

(2)设定换流器损耗，分析UPFC直流电路，计算UPFC并联侧注入到节点N的功率，具体方法如下：

稳态时，UPFC直流侧电路如图3所示，P_dc1和P_dc2分别为并联侧换流器和串联侧换流器注入到直流网络的功率，U_dc1和U_dc2分别为并联侧换流器和串联侧换流器的直流电压，直流线路正极和负极电阻相等，都为

系统注入到串联换流器的有功功率为：

P_se＝-(P_KL+P_LK) (4)

用注入换流器的功率乘上一定的比例估算并联换流器和串联换流器的损耗；假设该比例系数为a且a∈[0,1)，则串联换流器注入到直流网络的功率为：

并联侧换流器直流端电压为直流电压设定值，即：

U_dc1＝U_dcref (6)

根据直流电路参数，求解直流网络得到P_dc1，则并联换流器注入N点的有功功率为：

至此，得到UPFC的注入功率模型；在该模型基础上，若UPFC并联侧控制注入到N点的无功功率Q_N，则Q_N为定值；若UPFC并联侧控制N点的电压幅值，则U_N为定值。

(3)利用交替迭代法对系统进行潮流计算，具体过程如下：

3.1输入数据，并设定系统状态初始值；

3.2将L点和K点等效为PQ节点，将N点等效为PV节点(UPFC并联侧控制N点的电压幅值时)或PQ节点(UPFC并联侧控制注入到N点的无功功率时)，根据上述方法求UPFC对其所连节点的注入功率；

3.3采用牛顿-拉夫逊法等方法更新系统状态；

3.4返回步骤3.2更新UPFC的注入功率；

3.5重复步骤3.3和3.4直到迭代收敛或达到最大迭代次数。

动态仿真方法：

(1)在动态仿真过程中，并联侧和串联侧都等效为注入电流源，UPFC的并联侧等效为1个电流源，其输出电流由并联侧换流器模型给出；UPFC的串联侧等效为2个电流源，这2个电流源的输出电流互为相反数，且共用一个串联侧换流器模型。UPFC并联侧模型和串联侧模型分别如图4和图5所示，两者都包含控制器、调制环节、坐标变换和MMC模型等。

并联侧控制器根据直流电压参考值U_dcref、N点的电压u_N、并联侧注入N点的无功功率q_N、N点的电压设定值U_nref或并联侧注入N点的无功功率设定值Q_nref、直流系统中得到的并联侧换流器直流电压u_dc1，生成并联侧MMC差模电压参考值u_odref和u_oqref；串联侧控制器则根据线路潮流设定值P_C、Q_C和其实际值p_LK、q_LK生成串联侧MMC差模电压参考值u_odref和u_oqref。本实施方式以双环解耦控制器为例进行说明，该控制器包含外环控制器和内环控制器，其中并联侧和串联侧外环控制器的结构分别如图6和图7所示，外环控制器根据控制目标产生MMC输入电流参考值i_dref和i_qref；并联侧和串联侧内环控制器相同，结构如图8所示，图8中L为MMC等效电感，ω为系统角频率，内环控制器根据i_dref和i_qref产生差模电压参考值。

调制环节模拟调制特性，输入为差模电压参考值，输出为差模电压实际值u_od和u_oq；本实施方式采用的调制环节的控制结构如图9所示，图9中采用一阶延时模拟调制作用，d轴和q轴时间常数分别为T_od和T_oq。

MMC模型根据调制环节得到的差模电压计算MMC输入电流i_d和i_q，其框图如图10所示，图10中R为MMC等效电阻，L为MMC等效电感，ω为系统角频率，s为拉普拉斯算子。

坐标变换将xy坐标系下的系统输入电压(并联侧为u_N∠δ_N，串联侧为u_K∠δ_K-u_L∠δ_L)变换为dq坐标量u_d和u_q，坐标变换矩阵如式(8)，并联侧和串联侧变换角δ分别为δ_N和δ_K；同时，坐标变换环节将MMC dq坐标下的输入电流i_d、i_q变换为xy坐标系下的相量i_xy，其坐标变换矩阵如式(9)。

A_dq＝TA_xy

A_xy＝T^-1A_dq

直流系统采用如图11所示的等效电路，其中R_dc和L_dc为直流电路等效电阻和等效电感，C_dc为直流线路电容和MMC等效电容之和，i_sc1、i_sc2分别为UPFC并联侧MMC和串联侧MMC注入直流系统的电流，p_dc1、p_dc2分别为UPFC并联侧MMC和串联侧MMC注入直流系统的有功功率，i_dc1、i_dc2分别为注入UPFC并联侧和串联侧等效电容的电流，u_dc1、u_dc2分别为等效电容电压，i_dc为直流线路电流。

(2)进行动态仿真的具体步骤如下：

2.1确定UPFC模型参数，根据潮流计算结果对UPFC模型进行初始化；

2.2设置大小不同的两个仿真步长，每个大步长中包含若干小步长；

2.3在每个小步长中假定外部系统状态不变，根据UPFC等效电流源模型，计算UPFC输出电流；

2.4在每个大步长中，根据UPFC输出电流和网络方程更新系统运行状态。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于MMC的UPFC机电暂态仿真方法，包括如下步骤：

(1)采用功率注入模型对UPFC进行等效；

(2)利用交替迭代法对整个系统进行潮流计算，整个系统包括UPFC及其所连交流系统；

(3)动态过程中利用换流器模型将UPFC等效为三个电流源，根据潮流计算结果对换流器模型进行初始化，最后根据UPFC等效电流源的输出电流求解整个系统的运行状态。

2.根据权利要求1所述的UPFC机电暂态仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现过程如下：

1.1设定UPFC串联侧潮流控制目标和并联侧直流电压控制目标；

1.2将UPFC串联侧等效为UPFC串联变压器两端交流节点的注入功率，其中作为潮流控制端的交流节点K的有功注入功率P_LK和无功注入功率Q_LK为UPFC串联侧潮流控制目标，另一端交流节点L的有功注入功率P_KL和无功注入功率Q_KL则通过分析计算串联侧等效电路得到；

1.3根据UPFC串联侧对两端交流节点的注入功率，计算得到交流系统注入到UPFC串联换流器的有功功率P_se＝-(P_KL+P_LK)；进而考虑到串联换流器的损耗P_loss2，计算得到串联换流器注入到UPFC直流网络的功率P_dc2＝P_se-P_loss2；

1.4根据功率P_dc2结合UPFC并联侧直流电压控制目标，通过求解以下直流网络方程得到并联换流器注入到UPFC直流网络的功率P_dc1；进而考虑到并联换流器的损耗P_loss1，计算得到并联换流器注入到其所连交流节点N的有功功率P_n＝P_dc1-P_loss1；

P_dc1＝U_dc1I_dc

U_dc1＝U_dc2+R_dcI_dc

P_dc2＝-U_dc2I_dc

其中：U_dc1为UPFC并联侧的直流电压，U_dc2为UPFC串联侧的直流电压，I_dc为UPFC的直流电流，R_dc为UPFC的直流线路电阻；

1.5将UPFC并联侧等效为交流节点N的注入功率，当UPFC并联侧注入到交流节点N的无功功率Q_n为设定的控制目标时，则UPFC并联侧注入到交流节点N的有功潮流和无功潮流是确定的，分别为P_n和Q_n；当UPFC并联侧控制交流节点N的交流电压时，则UPFC并联侧注入到交流节点N的有功潮流确定即为P_n，无功潮流待定。

3.根据权利要求2所述的UPFC机电暂态仿真方法，其特征在于：所述有功注入功率P_KL和无功注入功率Q_KL通过以下表达式计算得到：

<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>K</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>jQ</mi> <mrow> <mi>K</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>K</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> </msup> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>K</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>K</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>jQ</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>K</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>K</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mo>*</mo> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中：U_L为交流节点L的电压，U_K为交流节点K的电压，I_KL为UPFC串联侧向交流节点L的注入电流，j为虚数单位，^*表示复数共轭。

4.根据权利要求1所述的UPFC机电暂态仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现过程如下：

2.1输入整个系统的电气参数，并设定系统的状态初值；

2.2根据当前系统状态通过功率注入模型求解出UPFC对其所连交流节点的注入功率；

2.3基于当前系统状态以及步骤2.2求得的注入功率采用牛顿-拉夫逊法对系统状态进行更新；

2.4迭代执行步骤2.2和2.3，直至迭代收敛或达到最大迭代次数，输出系统状态以及UPFC对其所连交流节点的注入功率作为潮流计算结果。

5.根据权利要求1所述的UPFC机电暂态仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中利用换流器模型将UPFC等效为三个电流源的具体实现过程为：首先，使UPFC并联侧等效为1个电流源，其输出电流由并联换流器模型给出；使UPFC串联侧等效为2个电流源，这2个电流源的输出电流互为相反数且由同一个串联换流器模型给出；

所述并联换流器模型的输入包括交流节点N的实际电压u_N和参考电压U_nref、交流节点N的无功注入功率参考值Q_nref、UPFC的直流电压参考值U_dcref、交流节点N的无功注入功率实际值q_N以及UPFC并联侧直流电压实际值u_dc1，输出为UPFC并联侧等效电流源的输出电流；

所述串联换流器模型的输入包括交流节点L和K的实际电压u_L和u_K、交流节点K的有功注入功率设定值P_C和无功注入功率设定值Q_C以及交流节点K的有功注入功率实际值p_LK和无功注入功率实际值q_LK，输出为UPFC串联侧等效电流源的输出电流；

所述并联换流器模型和串联换流器模型从输入至输出均依次由控制器模块、调制模块、MMC模块、坐标变换模块连接组成，其中：

所述控制器模块根据换流器模型的输入进行有功和无功的解耦控制生成MMC差模电压参考值；

所述调制模块根据MMC差模电压参考值对MMC进行调制，生成MMC差模电压实际值；

所述MMC模块用于模拟实际的MMC并基于MMC差模电压实际值生成MMC输出电流；

所述坐标变换模块用于将MMC输出电流转换为xy坐标系下的电流相量i_xy，使其作为UPFC并联侧或串联侧等效电流源的输出电流。

6.根据权利要求1所述的UPFC机电暂态仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中求解整个系统运行状态的具体实现过程如下：

3.1根据潮流计算结果对并联换流器模型和串联换流器模型进行初始化；

3.2设置大小不同的两个仿真步长，大步长由若干个小步长组成；

3.3在每个小步长中假定整个系统状态不变，根据并联换流器模型和串联换流器模型求解UPFC的输出电流，即UPFC串联侧等效电流源和并联侧等效电流源的输出电流；

3.4在多个小步长计算后达到一次大步长时，根据UPFC输出电流和交流网络方程更新系统的运行状态。